單片機系統(tǒng)中法拉電容的數(shù)據(jù)保護研究

引 言
在測量、控制等領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，常要求系統(tǒng)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)中的數(shù)據(jù)在電源掉電時不丟失，重新加電時RAM中的數(shù)據(jù)能夠保存完好，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作和數(shù)據(jù)信息處理的安全。這就要求對系統(tǒng)加接掉電保護措施。掉電保護可采用以下三種方法：
一是加接不問斷電源。由于這種方法體積大、成本高，對單片機系統(tǒng)來說，不宜采用。
二是采用EEPROM來保存數(shù)據(jù)。但由于其讀寫速度與讀寫次數(shù)的限制，使得EEPROM不能完全代替RAM。
三是采用備份電池，掉電后保護系統(tǒng)中全部或部分數(shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容。
顯然，上述第三種方法是比較可行的。實際應(yīng)用中，往往采用內(nèi)置鋰電池的非易失性靜態(tài)隨機存取存儲器(nonvolatile SRAM)。例如Dallas半導(dǎo)體公司的DS1225，由于采用鋰電池作為存儲器備份電源，數(shù)據(jù)可以完好保存10年以上。但這種方案的缺點是成本高，且鋰電池會造成環(huán)境污染。
法拉電容也叫超級電容器，雙電層電容，其體積小、容量大、電壓記憶特性好、可靠性高。與充電電池相比，具有充電時間短、功率密度高、使用壽命長、低溫特性好及無環(huán)境污染等優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)保護電路中采用法拉電容取代電池作后備電源，在提高系統(tǒng)可靠性、延長壽命、降低設(shè)備成本和維護成本等方面，有十分重要的意義。
本文將通過一個設(shè)計案例，具體介紹法拉電容在單片機系統(tǒng)的RAM數(shù)據(jù)保護中的應(yīng)用，為嵌入式系統(tǒng)中RAM數(shù)據(jù)保護提供一種可行的參考方法。
某一采用UT6264C-70LL作為RAM的單片機系統(tǒng)，在系統(tǒng)掉電后，要求RAM的數(shù)據(jù)后備時間達到5天。

1 硬件設(shè)計
采用法拉電容作為RAM后備電源，法拉電容后備時間的典型計算公式為：

式中：C(F)為法拉電容的標稱容量，Umin(V)為電路中的正常工作電壓，Umin(V)為電路能工作的最低電壓，t(s)為電路中后備時間，I(A)為電路的負載電流。
UT6264CSC-70LL的典型數(shù)據(jù)保持電流為1 μA，工作電壓為5 V，數(shù)據(jù)保持所需電壓最低為2 V。取O．1 F的法拉電容，計算得到RAM的數(shù)據(jù)后備時間為3．35天。而實際上，當RAM的電源電壓降低時，其數(shù)據(jù)保持電流將減小，因而后備時間可以延長。
另外，電源出現(xiàn)波動時，RAM的片選引腳、寫使能引腳及數(shù)據(jù)線端口也容易引入干擾或不正常的控制時序，從而破壞RAM中的數(shù)據(jù)。因此，需要通過電路設(shè)計，確保電源不正常時讀寫控制端口時序可控，從而增強RAM數(shù)據(jù)的安全。
電路原理圖如圖1所示。